车载网络：应用自动化设计与合成工具
FlexRay网络：
FlexRay协议比CAN更具确定性。FlexRay是一种“时间触发”协议，它提供不同选项，让信息可以在精确的时间框架内发送至目标地址——可精确到1μs.FlexRay信息最多可达254个字节，因此需要在ECU之间进行交换的复杂信息的容量很大。与CAN相比，FlexRay的数据传输速率也更高。由于时序是预先确定的，信息的安排需要提前规划好，一般由汽车OEM厂商或一级供应商合作伙伴预先配置或设计。在采用CAN协议的网络中，ECU节点只需要知道通信时的正确波特率，但FlexRay网络上的ECU节点在通信时必须知道网络各个部分是如何配置和连接的。检查和验证FlexRay网络的时序比较耗时——因此，自动化的时序分析和将信息合成打包成时间帧可以减少错误和设计周期时间。
定义网络时序
模拟汽车网络时序的第一步是准确定义ECU之间的连接。AUTOSAR提出的软件方法将所有汽车功能定义成软件组件的集合并映射到物理ECU硬件上。一个ECU可能有几个功能，而内部信号则在它们之间传递。一旦定义了连接，设计中每个对象的时序参数(如果是已知的)都可以被定义。时序信息有多个外部来源;被广泛使用的汽车标准是FIBEX——由自动化及测量系统标准化协会(ASAM)定义的一种基于XML的标准化文件格式。
示例系统的物理路径请见图1和图2.制动位监控器模块与控制器ECU相连，转而又连接到执行器上。在每个模块内部，各个软件组件也对延迟造成影响。我们将着眼于这些组件对整体系统延迟的影响。
图1：制动系统信号路径概览。
图2：采用AUTOSAR组件的制动系统——可定义详细的时序参数。
表2：AUTOSAR制动示例的传输步骤。
在表2提供的示例中，端至端信号路径最长可允许100ms.从实际测量结果中我们得知，发送方需要5ms，而接收方需10ms，因此通信路径延迟最高可允许85ms.
如果使用先进的AUTOSAR组件编辑器，如明导的VSA COM Designer工具，可以输入路径中每个组件的时序信息，但这也是一项艰巨的任务。另一种方法是从外部数据库导入时序和连接信息。
在模拟CAN总线数据路径时，需要考虑到传输开始时的不确定性。可能出现的情况是，更高优先级的信息占用数据总线，从而造成传输延迟。因此要找出造成延迟变化的抖动因素——通常要提前知道有多少优先级较高的信号可能在总线上，这样可以尽可能精确预测抖动因素。通过这些参数和进行自动化设计规则检查(DRC)，从第(3)步到第(7)步的最大延迟为74.5毫秒，这样的设计检查可以通过。这是“最坏情况”的测试，设计人员要相信路径延迟永远不会比这更糟，实际上会好很多。
图3：VSA COM时序分析工具给出的典型时序报告，显示DRC违规情况。
图3给出了一个典型的时序报告，其中信号路径违规以红色突出显示。整体的总线利用率显示在表的顶部(3.69%)。
此外还可以模拟通过汽车网关的信号时序路径预测。如果信号是通过网关自动发送，则需要采取最短的可用路径，而时序路径分析算法则需要有关信号路径中所有ECU发送方和接收方的信息。有些网关可能仅供诊断，而通过这些网关的信号的优先级可能较低。
汽车通信矩阵合成
汽车网络时序安排的总体定义通常存储在作为中央网关ECU一部分的“通信矩阵”中。明导所开发的设计工具解决方案可用于自动合成这个数据库并按正确顺序将所有不同的信息打包成帧。
AUTOSAR信号信息组合成协议数据单元(PDU)，然后这些数据单元再组合成传输帧。对于CAN和LIN帧而言，每个帧都有一个PDU，但一个FlexRay帧可能含有多个信号PDU.
在FlexRay架构中，时序是确定的，而设计人员主要面临的不确定性就是帧打包和传输顺序。汽车OEM厂商和设计人员要投入大量时间来测试汽车所有可能出现的情况，以确定最坏情况下的行为，并确保信息传输有较大的安全范围。这意味着，为了确保较高的时序安全范围，不能占用数据总线的全部容量。合成工具查找具有相似路径以及对于在相似的帧时间空隙中进行打包和安排有时序要求的信号，以此来优化帧利用率。在使用明导的时序合成工具时，设计输入将包括信号和PDU定义、帧的优先级和有关可行的信号路径的具体OEM设计决策。在生成完整的时序体系时要将这些都考虑进去。
在安装一个完全定义的通信体系时会面临一个难题，即后续很难有架构上的变化，并可能需要对网络进行全面的重新设计，但传输的高速和确定性等优势让这种方法对FlexRay应用形成了极大的吸引力，能够确保汽车的对安全要求非常高的功能。用该合成工具重新建立更先进的通信体系可以缩短修复周期。
总结
AUTOSAR提供了用于车载网络和ECU设计的预定义标准方法。但设计人员在如何提高设计的效率和性能上仍面临难题。通过使用设计自动化辅助工具来计算时序并生成车载通信体系，可以极大提升宝贵的网络带宽的利用率，同时保持汽车性能的安全范围。随着CAN、FlexRay和以太网融合复杂性的增加，使用自动化设计规则检查和时序性能合成工具将有助于缩短设计时间，避免繁琐的人工验证过程。
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